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PID控制与参数整定 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所
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讨论题 反馈控制器正反作用的定义是什么？针对具体对象，如何选择控制器正反作用？ 如何评价一个控制系统的品质？
描述P, PI 与 PID控制器的输入输出关系 对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生余差而采用PI控制器能消除余差？ 为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使用的不多？ PID参数整定方法
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主要内容 反馈控制器的正反作用 过程控制系统的性能指标 PID控制律的特性 PID控制器选择 单回路PID控制器参数整定
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如何构成负反馈？ 如何构成一个负反馈控制系统？ Gc(s)：控制器； Gv(s)：调节阀； Gm(s)：测量变送
描述整个反馈过程，确定需要负反馈 Gc(s)：控制器； Gv(s)：调节阀； Gm(s)：测量变送 Gp(s)：控制通道；Gd(s)：干扰通道
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控制器的“正反作用”选择 定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。 选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。 选择方法： （1）假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统。 （2）回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。
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假设检验法举例#1 蒸汽阀为气开阀，有 u↑→ RV↑ 假设控制器TC 22为正作用。 如果 T↑, 则
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假设检验法举例#2 冷却水阀须为气关阀，因此 u↑→ （冷却水量）Fw↓ 假设TC 25为正作用控制器如果 T↑，则
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回路分析法举例#1 步骤 1：画控制回路方块图 步骤 2：标注除控制器外的每一方块的正反作用 步骤 3：决定控制器的正反作用以构成负反馈回路
TC 22 为反作用控制器 (+) (+) (—) 广义对象（+） (+)
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回路分析法举例#2 TC 25 为反作用控制器 (—) (－) (－) (+) 广义对象（+）
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一般的反馈控制系统 对于某一被控过程，最适合其特性的控制器是最好的控制器。 如何评价？
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控制性能指标 衰减比 超调量 回复时间 余差 偏差平方值积分 偏差绝对值积分 偏差绝对值与时间乘积的积分
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PID 控制器
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比例控制器 比例增益 工作点 比例度
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比例带的概念 δ 定义：比例带是指使控制器输出CO全范围变化所对应的控制误差的比例。
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比例增益对控制性能的影响 Fi(t) 在10 min 时，从10升/min 阶跃增加至11升/min 为什么会存在余差？
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比例增益对控制性能的影响 增益 Kc 增大，系统的调节作用增强，但稳定性下降 （当系统稳定时，调节频率提高、余差下降）。 积分过程？
开环不稳定过程？
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比例积分控制器 Ti 被称为积分时间，单位：分钟或秒 两种仿真情况： 其它参数不变，仅仅积分时间变化；
保持系统稳定不变为前提，当积分时间变化后相应调整比例度。 注意：在simulink仿真中的PID控制器中可调的积分作用为积分时间的倒数。 Ti 被称为积分时间，单位：分钟或秒
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积分对控制性能的影响1 仿真结果分析 Fi(t) 在10 min 时，从10升/min 阶跃增加至11升/min
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积分对控制性能的影响2 可消除余差，为什么？ 积分作用使控制系统的稳定性下降
积分时间Ti 越短，积分作用越强，闭环系统消除余差的速度越快，但系统的稳定性越弱。
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PID（比例-积分-微分）控制器 理论PID 控制器 工业 PID 控制器 Td 为微分时间
Ad 被称为微分增益。范围为6~20，常取为10
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工业PID控制器的仿真实现 工业 PID 控制器 T2 = Td/Ad
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工业PID控制器的输入输出响应 讨论Td、Ad 对控制器输出的响应
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微分对控制性能的影响 Ti(t) 在10 min 时，从50 ℃ 阶跃增加至60 ℃ 。
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微分对控制性能的影响 PID 控制器有三个可整定参数：控制器增益、积分时间与微分时间。微分作用的引入可使控制器具有超前预测作用。
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单回路PID控制系统应用问题 对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何选择PID控制器形式，并整定PID控制器参数 ?
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工业PID控制器的选择 *1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。
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PID参数整定的概念
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PID工程整定法1-经验法 针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。 （具体整定参数原则见 p.58 表3-2）
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工程整定法2-闭环整定法 1、先切除PID控制器中的积分与微分作用，设置比例增益KC为一个较小值，并投入闭环运行；
2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况； 3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡； 4、设等幅振荡的振荡周期为Tu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcu 。 （即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0）
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闭环整定法
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闭环整定法 由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益 Kcu与临界振荡周期 Tu，并按下表得到正常工作下的控制器参数。 控制规律
Ti Td P 0.5Kcu PI 0.45Kcu 0.83Tu PID 0.6Kcu 0.5Tu 0.12Tu
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闭环整定法 临界比例度法的局限性： 生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。
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工程整定法3-开环整定法 在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃变化），记录被控变量的响应曲线；
根据单位阶跃响应曲线求取“广义对象”的近似模型与模型参数； 根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投入闭环运行。 根据系统闭环响应情况，增大或减少控制器增益Kc直至满意为止。
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开环整定法
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获得广义对象模型 对象的近似模型：
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开环整定法(Ziegler-Nichols 法)
控制器类型 Kc Ti Td P ∞ PI PID 注意：上述整定规则仅限于
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开环整定法(Lambda 法) 控制器 Kc Ti Td P PI T PID τ/2 取值 注意：上述整定规则不受τ/T 取值的限制
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开环整定法 广义对象特性参数： K = 1.75 T = 6.5min,τ= 3.3 min 若采用 PI 控制器，
Z-N 法：Kc = 1.0, Ti = 11 min Lambda 法：Kc = 0.56, Ti = 6.5 min
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开环整定法 广义对象特性参数： K = 1.75 T = 6.5min,τ= 6.3 min 若采用 PI 控制器，
Z-N 法：Kc = 0.53, Ti = 20.8 min Lambda 法：Kc = 0.30, Ti = 6.5 min
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继电器型PID自整定器
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具有继电器型非线性控制系统 问题：分析上述非线性系统产生等幅振荡的情况？
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继电器输入输出信号分析
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周期信号的Fourier级数展开 一个以T为周期的方波函数f (t)可以展开为 假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波
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继电器型控制回路的等幅振荡 假设： 一次谐波分量占优 对象具有低通特性 则继电器输入信号的振幅a为 系统产生振荡时满足：
再由临界比例度法自动确定PID参数.
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继电器型PID自整定举例
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工业单回路PID控制器 PID1 PID2
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手自动无扰动切换 实现方式： Auto (自动)状态，使手操器输出等于调节器的输出； Man(手动)状态，使调节器输出等于手操器的输出。
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小结 反馈控制器的正反作用 过程控制系统的性能指标 PID控制律的特性 PID控制器选择 单回路PID控制器参数整定
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串级控制预习讨论题 以管式加热炉工艺介质的出口温度控制为例，说明为什么要引入串级控制？
在串级控制方案中，副参数（即内回路的被控变量）的选择至关重要。仍以加热炉工艺介质出口温度控制问题为例，说明副参数选择的基本要求与原则。 以炉出口温度与燃料气流量的串级控制方案为例，描述其控制系统方块图，并指出与主副控制器对应的广义被控对象。。 试解释串级控制器参数整定的常用步骤；并结合加热炉出口温度控制系统的Simulink仿真模型，详细说明串级控制系统PID参数的整定方法。 串级控制系统中存在积分饱和的根本原因是什么？如何采用相应的防积分饱和措施。 以换热器出口温度控制问题（其操作变量为蒸汽流量）为例，如何引入串级控制方案以提高系统的抗干扰能力？
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